Система телекоммуникационного доступа объектов железнодорожной инфраструктуры на перегоне к станционному оборудованию связи и ЖАТ на основе пассивных оптических сетей (ПСД)

[Admin]

Система телекоммуникационного доступа объектов железнодорожной инфраструктуры на перегоне к станционному оборудованию связи и ЖАТ на основе пассивных оптических сетей (ПСД)

Блиндер И.Д.
Захаров А.В.
Дуренков А.В.
Черников А.А.

Ключевые слова:
телекоммуникационный доступ, железнодорожная автоматика и телемеханика, станционное оборудование связи, волоконно-оптические сети

1. В настоящее время телекоммуникационный доступ объектов железнодорожной инфраструктуры к станционному оборудованию связи и железнодорожной автоматики и телемеханики организован с использованием кабелей с металлическими жилами.
Такой способ обладает рядом существенных недостатков:

• - ограниченность использования частотного диапазона в связи со значительным увеличением затухания при увеличении частоты;
• - подверженность промышленным помехам и опасным влияниям;
• - наличие взаимных влияний между парами в общем кабеле;
• - наибольшее количество отказов в системах связи, происходящие из-за повреждения кабеля;
• - высокая стоимость строительства и технической эксплуатации.

На перегоне находиться большая номенклатура объектов железнодорожной инфраструктуры, которым необходим доступ к станционному оборудованию. Это перегонная связь, связь с местом аварийно-восстановительных работ, различные системы телеуправления и телекоммуникаций, устройства видеонаблюдения, аппаратура радиосвязи, телефонной связи, информирования пассажиров на остановочных пунктах и др. Некоторые из объектов, например, устройства видеонаблюдения, практически не могут быть организованы по кабелю с металлическими жилами.

В связи с необходимостью расширения функций с исключением указанных выше недостатков, по плану НТР ОАО «РЖД» в период 2018-2019 гг. АО «НИИАС» совместно с ЦСС и предприятиями ООО КБ «ПУЛЬСАР-ТЕЛЕКОМ», ООО «Новел-ИЛ» и ООО «Сфера-Телеком» была создана система телекоммуникационного доступа объектов железнодорожной инфраструктуры на перегоне к станционному оборудованию связи, ЖАТ и ИУС на основе применения технологии пассивных оптических сетей (условное наименование системы «ПСД»).
Технология пассивных оптических сетей представляет собой способ параллельного подключения промежуточных пунктов доступа к оптическому волокну без необходимости электропитания устройства подключения.
Способ пассивного доступа позволяет выделить в пункте доступа часть светового потока, несущего в себе тот же объем информации, что и в основном тракте, без использования электропитания. Электропитание необходимо только для преобразования выделенного в пункте доступа светового сигнала в электрический.
Питание преобразователя осуществляется либо от имеющегося в пункте доступа источника, либо от аккумулятора, питающего подключаемого к преобразователю переговорной-вызывного или другого устройства.
На перегоне, таким образом, ряд пунктов доступа оказывается подключен к сети постоянно, а ряд подключается эпизодически при необходимости установления связи со станционным оборудованием.
В отличии от системы на базе промышленных коммутаторов Ethernet, не допускающей в процессе функционирования отключение или подключение пунктов доступа, в технологии пассивного доступа возможно иметь в общей сети постоянно подключенные функционирующие пункты и пункты, эпизодически подключаемые и отключаемые, не создавая при этом каких-либо мешающих влияний на постоянно действующие объекты.
При разработке системы были использованы два вида устройств пассивного подключения пунктов доступа к волоконно-оптической линии связи (ВОЛС): волоконные сплиттеры и мультиплексоры оптического ввода/вывода (оптические двухчастотные фильтры OADM) для организации спектрального уплотнения CWDM формата Fast Ethernet.
Волоконный сплиттер обеспечивает разветвление светового потока, передаваемого по волоконно-оптической линии на несколько направлений с различным затуханием в каждом направлении. В разработанных системах пассивного доступа используется сплиттер на два направления - транзитное и ответвления.
Схема волоконного сплиттера на два направления представлена на рис. 1.

Как видно из схемы двухстороннее взаимодействие может быть осуществлено только в направлении А <-> Б и А <-> В. Для обеспечения взаимодействия пункта доступа в направлении Б <-> В должна использоваться вторая жила ВОЛС.
Сплиттеры выпускаются с различным соотношением затухания светового потока в транзитном направлении и в сторону ответвления, указанными в таблице 1.

В системах связи с пассивным доступом с применением сплиттеров используются световые потоки с длиной волны 1310 и 1490 нм, имеющие одинаковые показатели затухания.
От станции в сторону перегона используется световой поток с длиной волны Х1 = 1490 нм, в обратном направлении - Х2 = 1310 нм.
С использованием сплиттеров созданы два варианта систем:
- организованной по технологии GPON в соответствии со стандартом ITU-T G.984.x [1], выпускаемой ООО КБ «Пульсар-Телеком»;
- организованной с передачей первичного цифрового потока (ПЦК) формата Е1, выпускаемой ООО «Новел-ИЛ».
2. Вариант пассивного доступа по технологии GPON
Схема варианта по технологии GPON, имеющего наименование ПСД-1, приведена на рис. 2.

Связь по технологии GPON в системе доступа «точка - многоточка» организуется в соответствии со стандартом между станционным устройством OLT (Optical Line Terminal) и абонентскими (перегонными) устройствами ONT (Optical Network Terminal) следующим образом.
Информация от OLT, предназначенная одному из ONT, передается в режиме коммутации пакетов ко всем ONT и выделяется ONT, которому она адресована. Передача от ONT в сторону OLT осуществляется поочередно, в выделенном для каждого ONT временном интервале.
В сторону ONT передача данных осуществляется со скоростью 2,5 Гбит/с с использованием светового потока с длиной волны 1490 нм, в сторону станции со скоростью до 1,5 Гбит/с световым потоком 1310 нм.
Станционный комплект аппаратуры (шлюз GPON ШПСО-ХХ) содержит модуль OLT, используемый для связи с перегонными ONT, и модуль ONT, используемый для мониторинга ВОЛС.
В каждом перегонном комплекте аппаратуры содержатся два модуля ONT для связи со станцией А и станцией Б (поочередно).
Сопряжение станционного и перегонного комплектов с волоконнооптической линией осуществляется с помощью трансиверов (SFP).
Станционный комплект аппаратуры, имеющий несколько вариантов исполнения, содержит шлюз, обеспечивающий сопряжение OLT с аппаратурой связи и железнодорожной автоматики (ЖАТ) по аналоговым и Ethernet интерфейсам.
Перегонный комплект (колонка перегонной связи оптическая КПСО) имеет несколько модификаций различной конструкции, рассчитанных для установки на стене, на диэлектрической опоре, встраиваемую в диэлектрическую опору и с разным количеством (до четырех) портов Ethernet.
Станционные комплекты аппаратуры, установленные на станциях, ограничивающих перегон, связаны обходной линией, организованной по транспортной сети IP. При нарушении связи по основным волокнам автоматически включается не более чем за 5 с обходное направление.

В данном варианте сеть пассивного доступа одного из направлений, например, в сторону станции А, функционирует в качестве основного, при этом направление в сторону станции Б является резервным, включаемым автоматически при отказе основного.
Установление связи с перегонного комплекта с абонентами, находящимися на станции Б, осуществляется в штатном режиме через станцию А по обходной цепи.
Пассивное соединение в процессе работы не требует электропитания, однако, трансиверы и ONT функционируют при наличии питающего напряжения.
Электропитание перегонной аппаратуры (КПСО) осуществляется от микротелефонной трубки перегонной связи, от адаптера подключения линии связи с местом аварийно-восстановительных работ (МАВР) или от местного источника электропитания. Перегонный комплект аппаратуры, через который организован постоянный доступ аппаратуры ТУ/ТС или другой системы к станционному оборудованию связи или ЖАТ, должен иметь бесперебойное электропитание от местного источника.
Перегонная связь с дежурными по станциям, ограничивающим перегон, с диспетчерами различных служб и между персоналом, находящемся на перегоне, осуществляется с использованием носимых переговорно-вызывных устройств (трубок перегонной связи ТПС-А), подключаемых к аналоговому интерфейсу КПСО (FXS), электропитание КПСО осуществляется при этом от аккумулятора ТПС-А. Установление соединений осуществляется набором соответствующего номера на тастатуре трубки.
С переговорно-вызывного пульта ДСП обеспечивается возможность посылки вызывного сигнала на конкретный КПСО, к которому подключена ТПС-А. Вызов осуществляется тональным сигналом, воспроизводимым телефоном трубки.
Организация связи с местом аварийно-восстановительных работ (МАВР) осуществляется с использованием оптического кабеля, подключаемого к КПСО через конвертор МК-МАВР, обеспечивающий электропитание КПСО. На месте работ к оптическому кабелю подключается коммутатор УК-МАВР, через который телефонные аппараты МАВР соединяются по системе доступа с поездным диспетчером, управлением дороги и ситуационным центром ОАО «РЖД».
Существует возможность оперативной организации связи с МАВР с использованием военно-полевого кабеля, подключаемого к аналоговому интерфейсу КПСО, на другом конце которого подключается ТПС-А. При этом, электропитание КПСО должно осуществляться от отдельного аккумулятора, входящего в комплект аппаратуры ПСД-1.
Потребление электроэнергии перегонным устройством (КПСО), функционирующим по протоколу GPON, составляет около 4-5 Вт, что требует использования в составе трубки ТПС-А аккумулятора сравнительно большой емкости для обеспечения непрерывной работы до 8 ч.

3. Вариант пассивного доступа, функционирующий по первичному цифровому каналу
С целью упрощения и уменьшения потребления электроэнергии создан вариант системы пассивного доступа с использованием для передачи информации первичного цифрового канала (ПЦК) формата Е1 (рис. 3).

В этом варианте, характеризующимся существенным уменьшением функциональности, потребление электроэнергии перегонным комплектом аппаратуры составляет всего 1,0-1,2 Вт.
Схема организации системы доступа с использованием ПЦК Е1 (ПСД-2) представлена на рис. 3.
В состав системы ПСД-2 входят станционные устройства доступа, представляющие собой первичный мультиплексор с оптическим входом МК-2048-О и подключенные через сплиттеры устройства доступа перегонные КПС-О, представляющие собой упрощенный первичный мультиплексор.
Связь организована по двум волокнам, по которым осуществляется взаимодействие каждого пункта доступа на перегоне с объектами связи и ЖАТ на станциях А и Б. Пользователь КПС-О имеет возможность выбора направления (А или Б) с помощью тумблера на лицевой панели.

В системе ПСД-2 обеспечивается организация перегонной связи с каждого пункта доступа с дежурными по станции А или Б, с диспетчерами различных служб и с пользователями, подключенными к другим пунктам доступа.
Передача сообщений от дежурного по станции (диспетчера) осуществляется одновременно ко всем КПС-О, от КПС-О к станции -поочередно.
При передаче от каждого КПС-О вызывные сигналы и речевые сообщения поступают к вызываемому дежурному по станции (диспетчеру) и ко всем другим КПС-О в результате наличия постоянного заворота соответствующих каналов ОЦК в станционном мультиплексоре.
Во время передачи вызова или речевых сообщений от одного КПС-О тракты передачи всех остальных КПС-О блокируются. Переговоры между пользователем КПС-О и дежурным по станции (диспетчером) осуществляются в симплексном режиме, однако, дежурный по станции имеет возможность перебоя в результате использования отдельного канала ОЦК, сообщение по которому воспроизводится имеющимся на КПС-О громкоговорителем. Громкоговорителем воспроизводится также вызывной сигнал, поступающий от дежурного по станции или другого КПС-О.
Перегонная связь осуществляется с помощью носимого переговорно-вызывного устройства (трубки перегонной связи ТПС-Ц), подключаемого к КПС-О по аналоговому интерфейсу с одновременной подачей электропитания.
Вызов соответствующего дежурного по станции, диспетчера или подключенного к другому КПС-О пользователя осуществляется набором соответствующего номера.

В системе возможны коллективные переговоры между подключенными пользователями.
В результате возможности выбора на КПС-О направления связи переговоры с абонентами каждой станции осуществляются без использования обходного тракта (по сравнению с ПСД-1).
При нарушении связи по обоим волокнам связь автоматически переключается на обходное направление.
Связь с местом аварийно-восстановительных работ осуществляется с помощью устанавливаемого на месте работ первичного мультиплексора МК-2048-МАВР, выполненного с учетом его применения в наружных условиях.
Мультиплексор МК-2048-МАВР подключается в пункте доступа непосредственно к волокну через отдельный сплиттер (рис. 3). На месте работ к МК-2048-МАВР подключаются по аналоговому интерфейсу телефонные аппараты, используемые для установления связи и переговоров с поездным диспетчером, управлением дороги и ситуационным центром ОАО «РЖД», подключенными по сети ОбТС к мультиплексору МК-2048-О станции А или Б.
Мультиплексор МК-2048-МАВР имеет интерфейс Ethernet с PoE (электропитанием подключенного к нему объекта), используемый для подключения видеокамеры, компьютера или любого другого устройства передачи данных.

Видеокамера, показанная на рис. 3, связана с аппаратурой видеонаблюдения, подключенной к соответствующему интерфейсу станционного мультиплексора.
При организации связи с МАВР с одной из станций, ограничивающих перегон, например, со станцией А, перегонная связь может быть организована только с другой станцией (станцией Б). Со станцией А с перегона окажется возможным установить связь через станцию Б по обходной цепи.
В системе ПСД-2 предусмотрен упрощенный вариант организации связи с МАВР с использованием военно-полевого кабеля, подключаемого к гнезду FXS КПС-О. На месте работ к кабелю подключается трубка перегонной связи ТПС-Ц.
Вариант ПСД-2 эффективно выполняет функции перегонной связи и связи с МАВР с минимальным расходом электроэнергии для питания КПС-О, однако в нем не обеспечивается (кроме как с местом аварийно-восстановительных работ) передача данных и организация каких-либо других связей, кроме перегонной.
ПСД-2 рекомендуется для применения совместно с системой доступа на базе промышленных коммутаторов Ethernet.
Системы доступа ПСД-1 и ПСД-2 обеспечивают, как правило, организацию на перегоне по двум оптическим волокнам не более 12-13 пунктов пассивного доступа в связи с необходимостью иметь между крайними пунктами затухание не более 30 дБ.
При необходимости организации большего количества пунктов доступа должны использоваться дополнительные волокна (рис. 4).

4. Вариант пассивного доступа с использованием спектрального уплотнения CWDM в оптическом тракте
Вариант пассивного доступа с использованием спектрального уплотнения CWDM в оптическом тракте формата Fast Ethernet организован с использованием мультиплексоров оптического ввода/вывода, представляющих собой оптические двухчастотные фильтры OADM.
В системе CWDM реализовано девять типов фильтров, длины волн которых приведены в таблице 2.
Для организации связи используются восемь типов фильтров OADM, приведенных в таблице 2. Девятая группа с длинами волн 1290 и 1270 нм используется только для мониторинга.

Функции фильтров с «односторонним выделением» показаны на рисунках 5 и 6.

С использованием фильтров с односторонним выделением может быть организовано восемь пунктов доступа на двух волокнах.
С использованием фильтров с двухсторонним выделением можно организовать до 8 пунктов доступа с обеспечением двухсторонней связи на одном волокне и до 16 пунктов доступа на двух волокнах.
В полосе пропускания фильтра OADM вносит затухание около 0,5 дБ, что должно учитываться при проектировании линий связи.
На основе данного способа предприятиями ООО «Новел-ИЛ» и ООО «Сфера-Телеком» выпускается система пассивного доступа ПСД-3, представленная на рис. 7.

На рисунке приведен вариант ПСД-3, организованный по одному волокну с использованием фильтров OADM с двухсторонним выделением.
На станциях, ограничивающих перегон, для взаимодействия с пунктами доступа, включенными через фильтры, используется оптический мультиплексор CWDM на 16 длин волн.
Выделенные фильтрами в пунктах доступа оптические сигналы преобразуются с помощью трансиверов в электрические и поступают на Ethernet-коммутаторы, к интерфейсам которых подключаются соответствующие объекты инфраструктуры и переговорные устройства перегонной связи (ТПС).
Передача информации в этом варианте осуществляется со скоростью 100 Мбит/с.
Трубка перегонной связи имеет интерфейс Ethernet и содержит аккумулятор, питающий, в том числе, устройство доступа УПС в течении не менее 4 часов.

На схеме показаны в качестве примера объекты инфраструктуры, для которых обеспечивается доступ к станционному оборудованию. Устройства инфраструктуры подключаются либо непосредственно к интерфейсам Ethernet, либо с помощью специальных шлюзов или конверторов, например, к RS-422 или другим.
Связь с МАВР осуществляется с использованием коммутатора Ethernet в исполнении, рассчитанном для наружной установки, подключаемого к УПС оптическим кабелем через адаптер, содержащий источник электропитания. На месте работ к коммутатору подключаются IP-телефоны, видеокамера, компьютер и т.п.
Входящие в рассмотренные выше системы ПСД-1, ПСД-2 и ПСД-3 устройства, используемые в наружных условиях, рассчитаны для работы в диапазоне температур от -40 до +60 °С.
Создание системы телекоммуникационного доступа на основе технологии пассивных оптических сетей открывает возможность решения широкого круга задач по обеспечению текущего содержания объектов железнодорожной инфраструктуры на перегоне, повышению эффективности управления движением поездов и безопасности движения.

Список литературы
1. 1. ITU-T G.984.x Gigabit-capable passive optical networks (GPON). Серия стандартов. [Электронный ресурс] URL: https://www.itu.int/ rec/T-REC-G/en (дата обращения 06.2020)